于 水,張 昊,彭曉烈,呂海平

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110168)

建筑熱舒適性是指人對(duì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境所做的主觀滿意度評(píng)價(jià)[1]。因此,建筑室內(nèi)熱舒適性是人們?cè)u(píng)判建筑環(huán)境的必要條件之一[2],除了工業(yè)建筑對(duì)室內(nèi)熱舒適性的要求相對(duì)較差一些之外,民用居住建筑和公共辦公建筑均對(duì)室內(nèi)熱舒適性有著較高的要求[3]。每天80%以上時(shí)間要在室內(nèi)度過(guò)的人員，對(duì)室內(nèi)環(huán)境的要求也越來(lái)越高[4]。一個(gè)良好的室內(nèi)熱舒適性能夠讓室內(nèi)人員精神愉悅,有助于提高工作效率[5],因此對(duì)改造后的歷史建筑室內(nèi)熱舒適性的研究是十分必要的。張濤等[6-7]給出了人與環(huán)境的熱交換方式、人與環(huán)境的熱平衡、熱舒適環(huán)境的定義，通過(guò)過(guò)熱或過(guò)冷環(huán)境對(duì)人體的影響以及服裝的熱工特性等方面的研究，得出影響建筑室內(nèi)熱舒適性的主要因素。由于對(duì)于既有歷史建筑經(jīng)過(guò)綠色改造后的室內(nèi)人體熱舒適性的相關(guān)研究較少[8],筆者選取沈陽(yáng)市第124中學(xué)5個(gè)典型的房間進(jìn)行實(shí)地檢測(cè),分析既有歷史建筑綠色改造后的室內(nèi)人體熱舒適性變化規(guī)律[9],為既有歷史建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改造和冬季供暖標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)支持。

1 研究對(duì)象和測(cè)試方法

1.1 既有歷史建筑改造前后狀況

以原葵尋常小學(xué)舊址沈陽(yáng)市124中學(xué)為研究對(duì)象,該建筑是沈陽(yáng)市不可移動(dòng)歷史建筑[10],沈陽(yáng)市第124中學(xué)現(xiàn)狀模型如圖1所示。建筑類型為公共建筑,建筑功能為學(xué)校,占地面積為3 826.9 m2,建筑面積為6 831.7 m2,建筑高度為12.03 m。

圖1 沈陽(yáng)市第124中學(xué)現(xiàn)狀模型圖Fig.1 The model diagram of Shenyang No.124 Middle School

沈陽(yáng)市第124中學(xué)舊址建筑的砌體外墻和內(nèi)墻、屋架、屋頂、門(mén)窗、臺(tái)階、樓梯和設(shè)備設(shè)施等構(gòu)件的破損狀況、病害情況,建筑受損狀況如圖2所示。①受潮。各部位外墻墻體均存在較為嚴(yán)重的受潮病害。一是雨水無(wú)組織排放導(dǎo)致的“尿墻”受潮,局部墻面發(fā)霉、灰縫脫落;二是墻體防潮措施失效后因墻根部位積水、積雪導(dǎo)致的下部受潮。一層內(nèi)墻因防潮措施失效導(dǎo)致普遍受潮嚴(yán)重,墻面抹灰粉化、脫落。②開(kāi)裂。墻體的非受力裂縫主要集中在混凝土預(yù)制檐口及墻體頂部,多為溫度差和沉降造成的斜裂縫。③腐蝕。建筑大面積外墻墻面產(chǎn)生粉化、起皮、酥松和剝落,同時(shí)伴有大面積的灰縫砂漿老化脫落,砌塊磚松動(dòng)、移位和局部彈出狀況。因墻體受潮、凍融循環(huán)加劇墻面的腐蝕病害,多處墻面發(fā)霉。④破損。主要因人為原因造成墻面空洞和破損,因腐蝕造成破損部位周邊連帶病害。其次為部分抹灰部位開(kāi)裂、剝落,導(dǎo)致紅磚外露。

圖2 改造前狀況Fig.2 The situation before renovation

由于沈陽(yáng)市第124中學(xué)是沈陽(yáng)市不可移動(dòng)歷史建筑,在對(duì)其進(jìn)行節(jié)能改造時(shí)不能對(duì)建筑外觀進(jìn)行較大的改變,因此只能通過(guò)采用內(nèi)保溫等形式對(duì)教學(xué)樓主體和學(xué)校禮堂的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修繕改造,甚至是結(jié)構(gòu)加固。外窗方面,通過(guò)拆除并按照原始外窗各樘的分格、顏色更換為單框中空雙玻斷橋鋁保溫窗,為了提高窗戶的氣密性,采用聚氨酯發(fā)泡劑填充并用密封膏嵌縫做好保溫構(gòu)造處理,避免產(chǎn)生熱橋,防止窗框周圍產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象,造成建筑的能耗損失。屋面方面,由于沈陽(yáng)市第124中學(xué)建筑的屋面形式為坡屋面,所以在對(duì)屋面節(jié)能改造時(shí)采用架空屋面隔熱的方式。原有建筑屋面上設(shè)計(jì)有很多氣孔,保留建筑坡屋頂上的進(jìn)氣口和出氣口,對(duì)這些氣孔進(jìn)行修復(fù),使其恢復(fù)原有功能。利用屋頂內(nèi)外的熱壓差和迎風(fēng)面的風(fēng)壓差,在屋架內(nèi)形成空氣對(duì)流,造成屋架內(nèi)的自然通風(fēng),以減少有屋頂傳入室內(nèi)的輻射熱量,從而達(dá)到隔熱降溫的目的,在屋面下設(shè)置一層木制屋架,在屋架上鋪設(shè)巖棉板進(jìn)一步改善屋面的保溫隔熱性能。沈陽(yáng)市第124中學(xué)改造后現(xiàn)狀如圖3所示。

圖3 改造后現(xiàn)狀Fig.3 Current status after transformation

1.2 測(cè)量方法

室內(nèi)人體熱舒適性的評(píng)價(jià)是建筑改造效果必不可少的一部分,因此需要對(duì)室內(nèi)人體熱舒適性檢測(cè),評(píng)價(jià)沈陽(yáng)市第124中學(xué)的改造效果。

為了精準(zhǔn)和科學(xué)地評(píng)價(jià)沈陽(yáng)市第124中學(xué)的改造后室內(nèi)人體熱舒適性的效果,選取不同樓層、不同朝向、不同使用功能的5個(gè)典型房間進(jìn)行測(cè)試,分別是123辦公室、禮堂、206教室、208辦公室和225電教室,具體位置如圖4所示。測(cè)試時(shí)間為2020-01-13至2020-01-15,在測(cè)試時(shí)室內(nèi)人員均保證在靜止的狀態(tài),根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置室內(nèi)人體衣服熱阻為0.230(m2·K)/W,檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)為20 min,檢測(cè)頻率為30次/min[11]。

圖4 監(jiān)測(cè)房間位置分布Fig.4 Testing room location distribution map

筆者測(cè)試采用testo480檢測(cè)儀器和相對(duì)應(yīng)的探頭檢測(cè)典型房間內(nèi)預(yù)計(jì)平均熱感覺(jué)指數(shù)(PMV)和預(yù)計(jì)不滿意率(PPD)兩項(xiàng)指標(biāo)[12]。檢測(cè)設(shè)備主要包括:testo480檢測(cè)主機(jī)、球形探頭直徑150 mm-K型熱電偶、舒適度探頭、IAQ室內(nèi)空氣質(zhì)量探頭等。

1.3 測(cè)試內(nèi)容

測(cè)試的主要內(nèi)容是影響建筑室內(nèi)熱舒適性因素:空氣溫度、平均輻射溫度、氣流速度、空氣濕度、新陳代謝率和人員著裝情況。其中空氣溫度、平均輻射溫度、氣流速度、空氣濕度屬于建筑室內(nèi)物理客觀因素[13],主要與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的狀況、冬季供暖效果、通風(fēng)時(shí)間和頻率相關(guān)[14]。新陳代謝率和著裝情況屬于室內(nèi)人體主觀影響因素[15],最終熱舒適性的評(píng)測(cè)結(jié)果受這6因素的綜合影響決定。PMV與熱感覺(jué)的關(guān)系如表1所示。

表1 PMV值與熱感覺(jué)的關(guān)系Table 1 Relationship between PMV value and thermal sensation

將檢測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過(guò)迭代計(jì)算出平均熱感覺(jué)指數(shù)PMV。

PMV=[0.303exp(-0.036M)+0.027 5]×

{M-W-3.05×10-3[5 733-6.99(M-W-Pa)]-

0.42(M-W-58.2)-0.001 73M(5 867-Pa)-

0.001 4M(34-ta)-3.96×10-8fcl[(tcl+273)4-

(1)

tcl=35.7-0.028(M-W)-

fclhc(tcl-ta)}.

(2)

(3)

(4)

當(dāng)PMV值確定后,計(jì)算出預(yù)測(cè)不滿意率PPD。

PPD=100-95exp[-(0.033 53PMV4+

0.217 9PMV2)].

(5)

2 結(jié)果與分析

通過(guò)采用testo480在沈陽(yáng)市第124中學(xué)選取的5個(gè)典型房間進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)計(jì)算得出5個(gè)檢測(cè)房間的PMV與PPD檢測(cè)結(jié)果(見(jiàn)圖5)。測(cè)量5個(gè)房間基本信息如表2所示。各房間內(nèi)的學(xué)生和老師均靜坐狀態(tài),衣著服裝為冬季一般服裝,衣服熱阻為0.230(m2·K)/W,通過(guò)各個(gè)房間的測(cè)量基本信息數(shù)據(jù),運(yùn)用PMV和PPD的迭代計(jì)算式(1)～式(5)得出各個(gè)房間的PMV和PPD的具體結(jié)果如表3所示。

圖5 典型房間檢測(cè)PMV-PPD結(jié)果Fig.5 PMV-PPD of typical room

表2 5個(gè)典型房間的測(cè)量基本信息Table 2 Physical parameters in 5 typical rooms

表3 不同教室PMV-PPD Table 3 PMV-PPD of different classrooms

根據(jù)《熱環(huán)境的人類工效學(xué) 通過(guò)計(jì)算PMV和PPD指數(shù)與局部熱舒適準(zhǔn)則對(duì)熱舒適進(jìn)行分析測(cè)定與解釋》(GBT_18049—2017)中規(guī)定:學(xué)校等公共機(jī)構(gòu)的PMV值處于-1和+1為正常范圍,根據(jù)檢測(cè)結(jié)果,第124中學(xué)5個(gè)檢測(cè)房間的室內(nèi)人員熱感覺(jué)處于人體熱舒適度正常范圍,符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。保障了室內(nèi)師生的正常要求和舒適度。

3 結(jié) 論

(1)禮堂的PMV值為-0.23,相對(duì)其他房間的PMV值最小,但仍處在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的-1至+1正常范圍內(nèi),人體熱感覺(jué)適中,基本上滿足禮堂內(nèi)人員對(duì)熱舒適性的要求。

(2)206教室的PMV值為0.43,相對(duì)其他房間的PMV值最大,室內(nèi)人體預(yù)計(jì)不滿意率最高,原因是室內(nèi)溫度較高,應(yīng)當(dāng)適當(dāng)開(kāi)啟門(mén)窗,在保證室內(nèi)溫度在正常范圍內(nèi)的前提下,增加室內(nèi)通風(fēng)。

(3)通過(guò)對(duì)5個(gè)典型房間的檢測(cè)結(jié)果,進(jìn)一步驗(yàn)證了沈陽(yáng)市第124中學(xué)建筑配套的圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造方案的正確性和科學(xué)性,實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史建筑的綠色改造,保障了室內(nèi)師生的熱舒適性要求,使歷史建筑重新煥發(fā)生機(jī),滿足了綠色建筑的要求。